Estructura secundaria de los ácidos nucleicos

Arriba , un par de bases AT que muestra dos enlaces de hidrógeno intermoleculares; abajo , un par de bases GC que muestra tres enlaces de hidrógeno intermoleculares .

En biología molecular , dos nucleótidos en hebras de ADN o ARN complementarias opuestas , unidos mediante enlaces de hidrógeno, se denominan pares de bases (a menudo abreviados como pb). En el apareamiento de bases canónico de Watson-Crick, la adenina (A) forma un par de bases con la timina (T) y la guanina (G) forma uno con la citosina (C) en el ADN. En el ARN, la timina se reemplaza por uracilo (U). También se presentan patrones alternativos de enlaces de hidrógeno, como el par de bases tambaleante y el par de bases de Hoogsteen , particularmente en el ARN , dando lugar a estructuras terciarias complejas y funcionales . Es importante destacar que el apareamiento es el mecanismo mediante el cual los anticodones del ARN de transferencia reconocen los codones en las moléculas de ARN mensajero durante la traducción de proteínas . Algunas enzimas de unión al ADN o al ARN pueden reconocer patrones específicos de apareamiento de bases que identifican regiones reguladoras particulares de los genes. Los enlaces de hidrógeno son el mecanismo químico que subyace a las reglas de apareamiento de bases descritas anteriormente. La correspondencia geométrica adecuada entre los donantes y aceptores de enlaces de hidrógeno permite que solo los pares "correctos" se formen de forma estable. El ADN con alto contenido de GC es más estable que el ADN con bajo contenido de GC , pero, contrariamente a la creencia popular, los enlaces de hidrógeno no estabilizan el ADN de forma significativa y la estabilización se debe principalmente a las interacciones de apilamiento . ^{[ 2 ]}

Las nucleobases más grandes , adenina y guanina, pertenecen a una clase de estructuras químicas de doble anillo llamadas purinas ; las nucleobases más pequeñas, citosina y timina (y uracilo), pertenecen a una clase de estructuras químicas de anillo simple llamadas pirimidinas . Las purinas solo son complementarias con las pirimidinas: los pares pirimidina-pirimidina son energéticamente desfavorables porque las moléculas están demasiado separadas para que se establezca un enlace de hidrógeno; los pares purina-purina son energéticamente desfavorables porque las moléculas están demasiado cerca, lo que lleva a la repulsión por superposición. Los únicos otros pares posibles son GT y AC; estos pares son desajustes porque el patrón de donadores y aceptores de hidrógeno no se corresponde. El par de bases tambaleante GU , con dos enlaces de hidrógeno, aparece con bastante frecuencia en el ARN .

La estabilidad de una hélice no solo proviene de los enlaces de hidrógeno entre las bases, sino también de la interacción de apilamiento entre los anillos aromáticos de las bases, especialmente cuando los anillos son paralelos entre sí. En una doble hélice ordinaria, las cuatro bases vecinas de dos cadenas pueden tener estos tipos de estabilización por apilamiento: ^{[ 3 ]}

• El apilamiento intracadena se produce entre las dos bases vecinas de la misma cadena, como los dos lados más cortos de un rectángulo (los pares de bases son los lados "más largos").
• El apilamiento entre hebras se produce entre dos bases vecinas de hebras diferentes, como las diagonales de un rectángulo.

Debido al apilamiento de bases, las descripciones de por qué y cómo se pliega el ARN —lo cual es fundamental para predecir las formas en que se pliega— suelen venir en fragmentos denominados de "vecino más cercano" para tener en cuenta tanto el apilamiento como el emparejamiento de bases. ^{[ 3 ]}

El apareamiento y el apilamiento de bases no solo afectan la estructura secundaria, sino que también pueden ocurrir en elementos simples como hélices y bucles, lo que los incluye dentro del ámbito de la estructura terciaria de los ácidos nucleicos . El apilamiento coaxial se produce cuando las bases de dos hélices diferentes se apilan juntas. Esto se observa en la estructura del ARNt . ^{[ 4 ] [ 5 ]}

La hibridación es el proceso por el cual los pares de bases complementarias se unen para formar una doble hélice . La fusión es el proceso por el cual se rompen las interacciones entre las hebras de la doble hélice, separando las dos hebras de ácido nucleico. Estos enlaces son débiles y se separan fácilmente mediante calentamiento suave, enzimas o fuerza física. La fusión ocurre preferentemente en ciertos puntos del ácido nucleico. ^{[ 6 ]} Las secuencias ricas en T y A se funden más fácilmente que las regiones ricas en C y G , ya que los dos enlaces de hidrógeno son más débiles que tres. Ciertos pasos de bases también son susceptibles a la fusión del ADN, en particular los pasos de bases TA y TG , ya que el apilamiento es más débil. ^{[ 7 ]} Estas características mecánicas se reflejan en el uso de secuencias como TATAA al comienzo de muchos genes para ayudar a la ARN polimerasa a fundir el ADN para la transcripción.

La separación de hebras mediante calentamiento suave, como se usa en la PCR , es sencilla siempre que las moléculas tengan menos de unos 10 000 pares de bases (10 kilobases o 10 kbp). El entrelazamiento de las hebras de ADN dificulta la separación de segmentos largos. La célula evita este problema permitiendo que sus enzimas de desnaturalización del ADN ( helicasas ) trabajen simultáneamente con las topoisomerasas , que pueden escindir químicamente el esqueleto de fosfato de una de las hebras para que pueda girar alrededor de la otra. Las helicasas desenrollan las hebras para facilitar el avance de enzimas de lectura de secuencias como la ADN polimerasa .

La doble hélice es una importante estructura terciaria en las moléculas de ácido nucleico, íntimamente ligada a la estructura secundaria de la molécula. Una doble hélice se forma mediante regiones compuestas por muchos pares de bases consecutivos.

La doble hélice del ácido nucleico es un polímero espiral, generalmente dextrógiro, que contiene dos cadenas de nucleótidos que se emparejan entre sí. Una sola vuelta de la hélice constituye aproximadamente diez nucleótidos y contiene un surco mayor y un surco menor, siendo el surco mayor más ancho que el surco menor. ^{[ 11 ]} Dada la diferencia en los anchos del surco mayor y el surco menor, muchas proteínas que se unen al ADN lo hacen a través del surco mayor, que es más ancho. ^{[ 12 ]} Son posibles muchas formas de doble hélice; para el ADN, las tres formas biológicamente relevantes son el ADN-A , el ADN-B y el ADN-Z , mientras que las dobles hélices de ARN tienen estructuras similares a la forma A del ADN.

La estructura secundaria de las moléculas de ácido nucleico a menudo se puede descomponer de forma única en tallos y bucles. La estructura de tallo-bucle (también conocida como "horquilla"), en la que una hélice con pares de bases termina en un bucle corto sin pares, es extremadamente común y constituye un bloque de construcción para motivos estructurales más grandes, como las estructuras de trébol, que son uniones de cuatro hélices como las que se encuentran en el ARN de transferencia . Los bucles internos (una serie corta de bases sin pares en una hélice con pares más larga) y las protuberancias (regiones en las que una hebra de una hélice tiene bases insertadas "adicionales" sin contrapartes en la hebra opuesta) también son frecuentes.

Existen numerosos elementos de estructura secundaria de importancia funcional para los ARN biológicos; algunos ejemplos conocidos son los bucles de tallo terminadores independientes de Rho y la estructura de trébol del ARNt . Se están llevando a cabo investigaciones activas para determinar la estructura secundaria de las moléculas de ARN, utilizando enfoques que incluyen métodos tanto experimentales como computacionales (véase también la Lista de software de predicción de la estructura del ARN ).

Un pseudonudo es una estructura secundaria de ácido nucleico que contiene al menos dos estructuras de tallo-bucle en las que la mitad de un tallo se intercala entre las dos mitades de otro tallo. Los pseudonudos se pliegan en conformaciones tridimensionales con forma de nudo, pero no son verdaderos nudos topológicos . El apareamiento de bases en los pseudonudos no está bien anidado; es decir, se producen pares de bases que se "superponen" entre sí en la posición de la secuencia. Esto hace que la presencia de pseudonudos generales en secuencias de ácidos nucleicos sea imposible de predecir mediante el método estándar de programación dinámica , que utiliza un sistema de puntuación recursivo para identificar tallos apareados y, por consiguiente, no puede detectar pares de bases no anidados con algoritmos comunes. Sin embargo, se pueden predecir subclases limitadas de pseudonudos utilizando programas dinámicos modificados. ^{[ 14 ]} Las técnicas más recientes de predicción de estructuras, como las gramáticas estocásticas libres de contexto, tampoco pueden considerar los pseudonudos.

Los pseudonudos pueden formar una variedad de estructuras con actividad catalítica ^{[ 15 ]} y varios procesos biológicos importantes dependen de moléculas de ARN que forman pseudonudos. Por ejemplo, el componente de ARN de la telomerasa humana contiene un pseudonudo que es crítico para su actividad. ^{[ 13 ]} La ribozima del virus de la hepatitis delta es un ejemplo bien conocido de un ARN catalítico con un pseudonudo en su sitio activo. ^{[ 16 ] [ 17 ]} El intrón del grupo I es otro ejemplo de ARN catalítico con múltiples pseudonudos, como P3 y P7 en el dominio catalítico, y pseudonudos auxiliares específicos de subclase que proporcionan soporte estructural adicional. ^{[ 18 ] [ 19 ]} Aunque el ADN también puede formar pseudonudos, generalmente no están presentes en condiciones fisiológicas estándar .